基于移動物聯(lián)網(wǎng)終端的蠶桑安全追溯系統(tǒng)研究

茅海軍，何明宇，陳一鳴

(1.浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州 310018；2.麗水市電業(yè)局，浙江 麗水 323000)

基于移動物聯(lián)網(wǎng)終端的蠶桑安全追溯系統(tǒng)研究

茅海軍1，何明宇1，陳一鳴2

(1.浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，杭州 310018；2.麗水市電業(yè)局，浙江 麗水 323000)

提出一種結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和Internet技術(shù)對蠶桑的種植生產(chǎn)進行有效監(jiān)控和管理的方案。以用戶層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層的三層體系構(gòu)建了蠶桑安全追溯系統(tǒng)平臺，研究設(shè)計了基于RFID技術(shù)的移動終端，開發(fā)了基于CF射頻卡的接口以及運行在移動終端上的應(yīng)用程序，實現(xiàn)了電子標(biāo)簽和移動終端的數(shù)據(jù)之間的讀寫，并利用Web Service技術(shù)實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)查詢和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)推送，最終實現(xiàn)追溯系統(tǒng)和移動終端無縫對接。為蠶桑生產(chǎn)基地提供了生產(chǎn)安全的監(jiān)控平臺，為蠶農(nóng)提供了詳細的蠶桑履歷查詢，以確保蠶的存活率和蠶繭的質(zhì)量。

物聯(lián)網(wǎng)；移動終端；蠶桑；追溯系統(tǒng)

中國古人極為重視桑蠶業(yè)，《管子·山權(quán)數(shù)》中說：“民之通于蠶桑，使蠶不病者，皆置之黃金一斤，直食八石?！贝嗽捵阋宰C明當(dāng)時的統(tǒng)治者對桑蠶生產(chǎn)及蠶病防治的重視[1]。近年來，隨著農(nóng)田害蟲的猖獗，農(nóng)田用藥日益加重，致使土壤、水體、大氣整個生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染，對蠶桑生產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，蠶中毒事故頻發(fā)，嚴(yán)重挫傷了蠶農(nóng)發(fā)展蠶桑生產(chǎn)的信心[2]。浙江是蠶繭主產(chǎn)區(qū)，蠶桑安全直接影響著絲綢業(yè)的發(fā)展。因此，加大蠶桑重大病蟲防控與安全生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)，解決桑蠶重大病蟲害嚴(yán)重，有害物質(zhì)污染、中毒多發(fā)，以及蠶藥、桑樹用農(nóng)藥研發(fā)等問題，是浙江省“十二五”期間桑蠶發(fā)展的指導(dǎo)思想與主要目標(biāo)之一[3]。建設(shè)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的桑蠶繭生產(chǎn)基地，提升蠶繭質(zhì)量，對推進繭絲綢業(yè)持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義。

1 物聯(lián)網(wǎng)與RFID技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)概念的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴展到物與物之間進行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)。其中RFID(Radio Frequency Identi fi cation，射頻識別)，是能讓物品說話的一種技術(shù)，它能標(biāo)識出物品的信息。在物聯(lián)網(wǎng)中，RFID標(biāo)簽中存儲著規(guī)范而具有互用性的信息，通過無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)把它們采集到處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對物品信息的分析和處理，并且能通過開放性的計算機網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的交換和共享[4]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為研究的熱點，其技術(shù)也被廣泛應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)，如個體識別，生產(chǎn)監(jiān)測，供應(yīng)鏈追溯等。筆者在借鑒國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)典型的蠶?；胤N植生產(chǎn)流程特點，構(gòu)建了蠶桑安全追溯系統(tǒng)，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)RFID技術(shù)的移動終端，與追溯系統(tǒng)實現(xiàn)了無縫對接，為蠶桑生產(chǎn)安全的監(jiān)控和管理提供有效的解決方案。

2 系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 系統(tǒng)的架構(gòu)

蠶桑生產(chǎn)作為一個流程性的生產(chǎn)過程，涉及蠶桑的播種、剪枝、灌溉、施肥、施藥、檢測、采收和喂養(yǎng)的全過程，需要構(gòu)建一個統(tǒng)一的數(shù)字化系統(tǒng)平臺進行管理。系統(tǒng)平臺架構(gòu)如圖1所示，其中數(shù)據(jù)層包括提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫和提供基礎(chǔ)平臺的平臺數(shù)據(jù)庫。核心業(yè)務(wù)層主要實現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能。用戶層為用戶提供兩種不同的接入方案：一種是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的移動終端接入，另一種是通過傳統(tǒng)的瀏覽器/服務(wù)器模式接入，即B/S模式。

2.2 核心數(shù)據(jù)層的7個子系統(tǒng)

1)產(chǎn)地子系統(tǒng)：對產(chǎn)地信息進行管理，包括地塊編號、附屬地詳細信息、方位、面積、狀態(tài)、種植戶姓名、種植方式、種植品種、大棚編號等。產(chǎn)地信息是整個系統(tǒng)的最底層數(shù)據(jù)，后期的栽培信息都與產(chǎn)地信息掛鉤，從而實現(xiàn)最終的追溯。

2)生產(chǎn)履歷子系統(tǒng)：建立在前期產(chǎn)地子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，記錄現(xiàn)有塊地的蠶桑從播種、剪枝、灌溉、施肥、施藥和采收的全部生產(chǎn)日志信息。

3)全檢中心子系統(tǒng)：包含抽樣、接樣、定性檢測、全檢查詢4個子模塊。這些模塊間的關(guān)系定義并實現(xiàn)了蠶桑檢測的流程：桑葉在采收前先抽樣，抽樣環(huán)節(jié)包括種植地塊信息、品種信息、抽檢信息(抽樣批次、種植品名、產(chǎn)地類型、抽檢人、抽檢日期等)。

4)喂養(yǎng)子系統(tǒng)：只有檢測合格的批次產(chǎn)品才能進入喂養(yǎng)流程，喂養(yǎng)信息包括提貨人、喂養(yǎng)人、流水號、品名、數(shù)量、單價等信息。并將喂養(yǎng)信息作為蠶桑供應(yīng)鏈的最后環(huán)節(jié)，提供追溯查詢。

5)信息維護子系統(tǒng)：對農(nóng)藥信息、肥料信息、種植戶信息和病蟲害信息進行維護。

6)RFID標(biāo)簽子系統(tǒng)：用于讀取標(biāo)簽信息，并將產(chǎn)品的追溯碼寫入RFID標(biāo)簽中，通過射頻移動終端可讀取標(biāo)簽內(nèi)的追溯碼。

7)追溯子系統(tǒng)：輸入追溯碼，可查詢到蠶桑的生產(chǎn)和供應(yīng)鏈信息，包括產(chǎn)地信息、種植戶信息、生產(chǎn)履歷信息、農(nóng)藥化肥使用情況等。該功能同時支持移動終端和瀏覽器兩種方式的查詢。

2.3 追溯碼生成算法

為了確保蠶桑的質(zhì)量安全，桑葉在最終采收前，都必須先進行抽樣送檢，只有檢測合格的產(chǎn)品才能提供給蠶農(nóng)。在抽樣的過程中系統(tǒng)就會對送檢的產(chǎn)品批次根據(jù)算法產(chǎn)生追溯碼。追溯碼是蠶桑批次唯一的標(biāo)識身份證號，系統(tǒng)以種植基地機構(gòu)代碼，地塊標(biāo)識，品種和抽樣時間等要素作為編碼對象，為了避免時間上的重疊，算法根據(jù)抽樣時間產(chǎn)生6位壓縮無序編碼，追溯碼生成算法如圖2所示。

示例代碼如下：

//取地塊標(biāo)識

Int iPlaceId = 10000

+Convert.ToInt32(strPlaceId);

……

//根據(jù)抽樣時間生成6位壓縮無序碼int iSeed=10;

Random ro = new Random(iSeed);long tick = DateTime.Now.Ticks;

Random ran = new Random((int)(tick &0xffffffffL) | (int) (tick ＞＞ 32));

int iResult;

int iUp=999999;

int iDown=100000;

iResult=ran.Next(iDown,iUp);

//生成追溯碼

string strTraceNo =

strComID.ToString()+ iPlaceId.ToString() + iTypeId.ToString()+iResult

根據(jù)上述編碼規(guī)則，可產(chǎn)生例如7271315521001 10008496612的24位長度的追溯碼。

3 基于RFID移動終端的設(shè)計

為了和追溯系統(tǒng)實現(xiàn)無縫對接，設(shè)計了基于RFID的移動識別終端，該終端由電子標(biāo)簽和天線(閱讀器)兩部分構(gòu)成，電子標(biāo)簽由耦合元件及芯片組成，具有唯一編碼用于標(biāo)識，閱讀器利用天線收發(fā)射頻信號，同電子標(biāo)簽進行通信，達到識別或交換數(shù)據(jù)的目的。

由于市場上現(xiàn)有的手持RFID射頻讀寫器價格比較昂貴，考慮到項目實施和推廣的成本因素及更好地和系統(tǒng)平臺兼容等問題，系統(tǒng)采用了HP iPAQ 2490(以下簡稱2490)Pocket PC做為移動終端的載體，操作系統(tǒng)為Windows Mobile 6.0，自行研制具有識別和無線傳輸功能的追溯查詢終端，整體方案框圖見圖3。

3.1 基于CF接口的RFID標(biāo)簽讀寫

Pocket PC硬件系統(tǒng)具有高度集成的特點，提供并支持多種數(shù)據(jù)接口，例如CF接口、SD接口、紅外接口、藍牙接口、802.11無線網(wǎng)卡等，作為移動終端的載體，為其硬件擴展提供了多種可能性。其中CF接口可從 Pocket PC獲取較大的電源功率，以16位并行方式與Pocket PC進行高速數(shù)據(jù)傳輸、具備包括中斷和DMA在內(nèi)的多種觸發(fā)信號，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集卡、MODEM、網(wǎng)卡、GPS卡的設(shè)計中[5]。

實際中使用的CF卡(Compact Flash RFID Reader)為D-Think-901A，其結(jié)構(gòu)包括CF插槽接口、天線、閃存、微控制單元MCU及CF/UART轉(zhuǎn)換模塊等。CF RFID卡的硬件框圖見圖4，其工作過程如下：將CF卡插入已經(jīng)處在開機狀態(tài)的2490，CF卡通電后，微控制單元MCU對射頻讀寫模塊進行初始化，接著由控制總線通知上位機 CF卡已經(jīng)準(zhǔn)備好，上位機識別CF卡。

3.2 電子標(biāo)簽

系統(tǒng)選用D-Think公司的M1異形卡為射頻電子標(biāo)簽，該異形卡采用Philips Mifare1芯片，支持ISO 15693、14443A和14443B工作協(xié)議。工作頻率為125 kHz/13.56 MHz，具備多標(biāo)簽防沖突機制。標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲容量32 kB，擁有32個分區(qū)，支持ISO 15693強制性指令和可選或者自定義指令集，有效讀寫距離范圍1～3 cm，標(biāo)簽工作于“閱讀器先講”的模式。

3.3 CF卡驅(qū)動程序的設(shè)計

CF卡的驅(qū)動程序采用流接口驅(qū)動程序開發(fā)。流接口驅(qū)動程序由設(shè)備管理器統(tǒng)一加載、管理和卸載，流接口驅(qū)動程序具有固定的入口點函數(shù)，操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)通過這些入口點函數(shù)與流接口驅(qū)動進行通信，從而實現(xiàn)用戶程序訪問驅(qū)動程序并操作硬件的目的[6]。

流接口驅(qū)動程序通過編譯后生成動態(tài)鏈接庫即DLL文件。CF卡驅(qū)動程序需要通過調(diào)用封裝在DLL文件內(nèi)部的函數(shù)來實現(xiàn)，API函數(shù)封裝了標(biāo)準(zhǔn)入口點函數(shù)，使用文件句柄訪問內(nèi)部資源。應(yīng)用程序讀取標(biāo)簽時，由API函數(shù)SetWorkMode()選擇工作接口模式，調(diào)用CFInitCom()函數(shù)初始化端口和波特率，CFGetHardWareVersion()函數(shù)讀取硬件版本，CFSetAntenna()打開天線，調(diào)用FISO14443_3ARead()C FISO14443_3AWrite()等API接口函數(shù)實現(xiàn)對標(biāo)簽分區(qū)的數(shù)據(jù)讀寫。

3.4 WebService訪問技術(shù)

Web Service是一種構(gòu)建應(yīng)用程序的通用模型，可以為其他應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)與服務(wù)[7]。各種應(yīng)用程序通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和規(guī)定的一些標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式(如Http，XML，Soap)來訪問Web Service，通過Web Service內(nèi)部執(zhí)行得到所需結(jié)果。Web Service可以執(zhí)行從簡單請求到復(fù)雜商務(wù)處理的任何功能。一旦部署以后，其他Web Service應(yīng)用程序可以發(fā)現(xiàn)并調(diào)用它部署的服務(wù)。

本研究在服務(wù)器ASP.NET平臺上部署專門的Web Service查詢服務(wù)，將PPC發(fā)送的追溯碼作為請求參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器，調(diào)用指定的Web Service服務(wù)，服務(wù)器根據(jù)參數(shù)反饋查詢結(jié)果，從而在移動終端獲取該追溯碼所提取的后臺數(shù)據(jù)庫信息。

3.5 移動終端的應(yīng)用程序

作為追溯系統(tǒng)的延伸，基于PPC的移動終端已具備標(biāo)簽識別和無線傳輸功能。而運行于PPC上的應(yīng)用軟件，為用戶提供最終的移動解決方案，是追溯系統(tǒng)的一個重要組成部分，通過移動設(shè)備與服務(wù)器間的通訊及應(yīng)用程序數(shù)據(jù)交換，使追溯延伸到用戶指尖。

PPC移動終端用戶軟件的開發(fā)環(huán)境采用的是MS的Visual Studio 2008，該開發(fā)環(huán)境集成了NET Compact Framework 3.5(.NET CF)框架，此框架提供了一個從服務(wù)器到桌面到設(shè)備的端到端編程模型，同時Visual Studio 2008提供了基于WM操作系統(tǒng)的開發(fā)模板，集成了Device Emulator，包括PPC仿真器，通過運行仿真器可直接測試程序在Windows Mobile 6.0環(huán)境下的運行效果。最后需要使用ActiveSync，使Windows Mobile設(shè)備與PC連接進行數(shù)據(jù)同步。

運行在移動終端上的應(yīng)用程序可以讀取并發(fā)送蠶桑唯一的標(biāo)識追溯碼，利用Web Service技術(shù)及時將信息從服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)揭苿咏K端上(圖5)，從而建立起高效可靠的追溯機制。

圖5 運行在PPC上的用戶應(yīng)用程序Fig.5 The application program running on the PPC

4 結(jié) 語

本研究以用戶層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層的三層體系構(gòu)建了蠶桑安全追溯系統(tǒng)平臺。研究設(shè)計了基于RFID技術(shù)的移動終端，開發(fā)了基于CF射頻卡的接口及運行在移動終端上的應(yīng)用程序，實現(xiàn)了電子標(biāo)簽和移動終端的數(shù)據(jù)之間的讀寫，并利用Web Service技術(shù)實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)查詢和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)推送，最終實現(xiàn)追溯系統(tǒng)和移動終端無縫對接。可為蠶農(nóng)提供詳細的蠶桑履歷查詢，以確保蠶的存活率和蠶繭質(zhì)量，為蠶桑安全生產(chǎn)提供重要的技術(shù)保證。

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Research on Silkworm-Mulberry safety traceability system based on mobile terminal of the Internet of Things

MAO Hai-jun1, HE Ming-yu1, CHEN Yi-ming2
(1.College of Information, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China; 2.LiShui Electric Power Of fi ce, Lishui 323000, China)

This thesis puts forward schemes of effective monitoring and management to plant and produce Silkworm-Mulberry, which is based on the internet of things and internet technology. Additionally, this thesis constructs a platform of Silkworm-Mulberry safety traceability system by a three-layer system, i.e., userbusiness-data system. In addition, it studies mobile terminal based on RFID, and develops ports and application programs that operate at mobile terminal, which are based on CF cards. Furthermore, it realizes the reading and input among data of RFID and mobile terminal, uses Web Service to realize the searching of remote data and the network data mining as well as realize the seamless joint of traceability system and mobile terminal. The said provides a monitoring platform of safe production for silkworm-mulberry manufacturing base as well as the specific search for silkworm-mulberry experience for silkworm raisers to ensure the silkworm raiser and quality of silkworms.

Internet of Things; Mobile terminal; Silkworm-Mulberry; Traceability system

F307.3

A

1001-7003(2012)06-0046-04

2012-04-06

茅海軍(1979－ )，男，講師，主要從事計算機網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的教學(xué)與研究。